(57)【要約】【課題】  圧電体層の破壊を防止でき、圧電素子の安定した変位特性が得られるアクチュエータ装置、液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供する。【解決手段】  圧電素子３００を構成する下電極６０がパターニングされて圧力発生室１２に対応する領域内にその少なくとも一方の端面が形成され、圧電体層７０が複数層の強誘電体膜７１で構成されると共にこれら複数層の強誘電体膜７１のうちの最下層である第１の強誘電体膜７１ａが下電極６０上のみに設けられてその端面が下電極の端面６０と連続的に形成され、第１の強誘電体膜７１ａ及び下電極６０の端面を振動板に対して１０〜５０°の範囲で傾斜する傾斜面とし且つ第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される他の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆを下電極６０及び第１の強誘電体膜７１ａの傾斜面である端面を覆って設ける。【選択図】      図３
2005035282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、
該圧電素子を構成する前記下電極がパターニングされて前記圧力発生室に対向する領域内にその少なくとも一方の端面が形成され、前記圧電体層が複数層の強誘電体膜で構成されると共にこれら複数層の強誘電体膜のうちの最下層である第１の強誘電体膜が前記下電極上のみに設けられてその端面が前記下電極の端面と連続的に形成され、前記第１の強誘電体膜及び前記下電極の端面が前記振動板に対して１０〜５０°の範囲で傾斜する傾斜面となっており且つ前記第１の強誘電体膜上に形成される他の強誘電体膜が前記下電極及び前記第１の強誘電体膜の傾斜面である端面を覆って設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の強誘電体膜及び前記下電極の端面の傾斜角度が、４０°以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記第１の強誘電体膜及び当該第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜の厚さが、この第２の強誘電体膜上に形成される残りの強誘電体膜のそれぞれの厚さよりも薄いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種が前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項６】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板の表面に振動板を介して下電極膜を形成後、該下電極膜上に複数層の強誘電体膜で構成される圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に上電極膜を形成後当該上電極膜及び前記圧電体層をパターニングして圧電素子を形成する工程とを具備し、
前記圧電体層を形成する工程が、前記下電極膜上に強誘電体前駆体膜を所定の厚さで形成し焼成することで前記複数層の強誘電体膜の最下層となる第１の強誘電体膜を形成する工程と、前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜を、それらの一方の端部が前記圧力発生室内に位置し且つ前記一方側の端面が前記振動板に対して所定角度で傾斜するようにパターニングする工程と、前記第１の強誘電体膜上に少なくとも一層の強誘電体前駆体膜を形成して焼成して前記強誘電体膜を形成する工程を複数回繰り返すことにより前記複数層の強誘電体膜を形成する工程とを含むことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記複数層の強誘電体膜を形成する工程では、前記第１の強誘電体膜上に形成する第２の強誘電体膜を当該第２の強誘電体膜上に形成する残りの強誘電体膜の厚さよりも薄く形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項８】
請求項７において、前記強誘電体前駆体膜を一層形成して焼成することで前記第２の強誘電体膜を形成し、前記強誘電体前駆体膜を二層以上形成後に焼成することで残りの強誘電体膜を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項９】
請求項６〜８の何れかにおいて、前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜をパターニングする工程の後に、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種を、前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成する工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項１０】
請求項６〜９の何れかにおいて、前記第１の強誘電体膜上に塗布したレジストを露光して前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜をパターニングするためのレジスト膜を形成する際、前記レジストに照射する照射光の焦点を前記第１の強誘電体膜表面、若しくは当該第１の強誘電体膜表面よりも前記下電極膜側に合わせることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項１１】
請求項６〜１０の何れかにおいて、前記下電極膜及び第１の強誘電体膜をイオンミリングによってパターニングすることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項１２】
請求項６〜１１の何れかにおいて、前記強誘電体前駆体膜をゾル−ゲル法により形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項１３】
基板の一方面に設けられた振動板と、該振動板上に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、
該圧電素子を構成する前記下電極がパターニングされて形成され、前記圧電体層が複数層の強誘電体膜で構成されると共にこれら複数層の強誘電体膜のうちの最下層である第１の強誘電体膜が前記下電極上のみに設けられてその端面が前記下電極の端面と連続的に形成され、前記第１の強誘電体膜及び前記下電極の端面が前記振動板に対して１０〜５０°の範囲で傾斜する傾斜面となっており且つ前記第１の強誘電体膜上に形成される他の強誘電体膜が前記下電極及び前記第１の強誘電体膜の傾斜面である端面を覆って設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項１４】
請求項１３において、前記第１の強誘電体膜及び前記下電極の端面の傾斜角度が、４０°以下であることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項１５】
請求項１３又は１４において、前記第１の強誘電体膜及び当該第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜の厚さが、この第２の強誘電体膜上に形成される残りの強誘電体膜のそれぞれの厚さよりも薄いことを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項１６】
請求項１３〜１５の何れかにおいて、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種が前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ装置、液滴を噴射する液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置に関し、特に、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体層を形成し、この圧電体層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。
【０００４】
また、このような圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッドでは、圧電素子の下電極を圧力発生室毎にパターニングすることで、振動板の初期撓みを抑え、圧電素子の駆動による振動板の変位量を増加させた構造がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、パターニングされた下電極上に圧電体層を形成しようとすると、下電極の端部を覆う部分及び振動板上に形成される圧電体層の膜質が悪く、駆動信頼性に欠けるという問題がある。すなわち、下電極上の圧電体層と、振動板上の圧電体層とで結晶性等の特性が異なってしまい、圧電体層は下電極の端部近傍で実質的に不連続となる。このため、圧電体層に電圧を印加するとクラック等の破壊が生じてしまうという問題がある。特に、下電極の長手方向の端部に対応する領域の圧電体層が破壊されやすい。なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２６５０３号公報（第７図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層の破壊を防止でき、圧電素子の安定した変位特性が得られるアクチュエータ装置、液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、該圧電素子を構成する前記下電極がパターニングされて前記圧力発生室に対向する領域内にその少なくとも一方の端面が形成され、前記圧電体層が複数層の強誘電体膜で構成されると共にこれら複数層の強誘電体膜のうちの最下層である第１の強誘電体膜が前記下電極上のみに設けられてその端面が前記下電極の端面と連続的に形成され、前記第１の強誘電体膜及び前記下電極の端面が前記振動板に対して１０〜５０°の範囲で傾斜する傾斜面となっており且つ前記第１の強誘電体膜上に形成される他の強誘電体膜が前記下電極及び前記第１の強誘電体膜の傾斜面である端面を覆って設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、下電極の端部近傍の圧電体層の結晶性が改善されるため、電圧を印加することによる圧電体層の破壊を防止できると共に圧電素子の駆動信頼性が向上する。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第１の強誘電体膜及び前記下電極の端面の傾斜角度が、４０°以下であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、電極の端部近傍の圧電体層の結晶性がより確実に改善される。
【００１０】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記第１の強誘電体膜及び当該第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜の厚さが、この第２の強誘電体膜上に形成される残りの強誘電体膜のそれぞれの厚さよりも薄いことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、第１及び第２の強誘電体膜の膜質がより確実に向上すると共に、それに伴い第２の強誘電体膜上に形成される他の強誘電体膜の膜質も向上する。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第１〜３の態様において、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種が前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、結晶種により第２の強誘電体膜の結晶構造が一方向に配向して略一様に形成されるため、圧電体層の膜質が確実に向上する。
【００１２】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第５の態様では、信頼性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【００１３】
本発明の第６の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板の表面に振動板を介して下電極膜を形成後、該下電極膜上に複数層の強誘電体膜で構成される圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に上電極膜を形成後当該上電極膜及び前記圧電体層をパターニングして圧電素子を形成する工程とを具備し、前記圧電体層を形成する工程が、前記下電極膜上に強誘電体前駆体膜を所定の厚さで形成し焼成することで前記複数層の強誘電体膜の最下層となる第１の強誘電体膜を形成する工程と、前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜を、それらの一方の端部が前記圧力発生室内に位置し且つ前記一方側の端面が前記振動板に対して所定角度で傾斜するようにパターニングする工程と、前記第１の強誘電体膜上に少なくとも一層の強誘電体前駆体膜を形成して焼成して前記強誘電体膜を形成する工程を複数回繰り返すことにより前記複数層の強誘電体膜を形成する工程とを含むことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第６の態様では、圧電体層の膜質、特に下電極膜の端面近傍の圧電体層の膜質が向上する。
【００１４】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記複数層の強誘電体膜を形成する工程では、前記第１の強誘電体膜上に形成する第２の強誘電体膜を当該第２の強誘電体膜上に形成する残りの強誘電体膜の厚さよりも薄く形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第７の態様では、第２の強誘電体膜の膜質が向上し、それに伴い圧電体層全体の膜質が向上する。
【００１５】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記強誘電体前駆体膜を一層形成して焼成することで前記第２の強誘電体膜を形成し、前記強誘電体前駆体膜を二層以上形成後に焼成することで残りの強誘電体膜を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第８の態様では、圧電体層の膜質を向上できると共に製造効率を向上することができる。
【００１６】
本発明の第９の態様は、第６〜８の何れかの態様において、前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜をパターニングする工程の後に、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種を、前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成する工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第９の態様では、結晶種により第２の強誘電体膜の結晶構造が一方向に配向して略一様に形成されるため、圧電体層の膜質が確実に向上する。
【００１７】
本発明の第１０の態様は、第６〜９の何れかの態様において、前記第１の強誘電体膜上に塗布したレジストを露光して前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜をパターニングするためのレジスト膜を形成する際、前記レジストに照射する照射光の焦点を前記第１の強誘電体膜表面、若しくは当該第１の強誘電体膜表面よりも前記下電極膜側に合わせることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第１０の態様では、レジスト膜の端面を比較的容易に傾斜させることができる。また、この端面が傾斜したレジスト膜を介して下電極膜及び第１の強誘電体膜をパターニングすることで、これら下電極膜及び第１の強誘電体膜の端面も比較的容易に傾斜させることができる。
【００１８】
本発明の第１１の態様は、第６〜１０の何れかの態様において、前記下電極膜及び第１の強誘電体膜をイオンミリングによってパターニングすることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第１１の態様では、下電極膜及び第１の強誘電体膜を比較的容易に所望の形状にパターニングすることができる。
【００１９】
本発明の第１２の態様は、第６〜１１の何れかの態様において、前記強誘電体前駆体膜をゾル−ゲル法により形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第１２の態様では、圧電体層を比較的容易且つ良好な膜質で形成することができる。
【００２０】
本発明の第１３の態様は、基板上に設けられた振動板と、該振動板上に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備し、該圧電素子を構成する前記下電極がパターニングされて形成され、前記圧電体層が複数層の強誘電体膜で構成されると共にこれら複数層の強誘電体膜のうちの最下層である第１の強誘電体膜が前記下電極上のみに設けられてその端面が前記下電極の端面と連続的に形成され、前記第１の強誘電体膜及び前記下電極の端面が前記振動板に対して１０〜５０°の範囲で傾斜する傾斜面となっており且つ前記第１の強誘電体膜上に形成される他の強誘電体膜が前記下電極及び前記第１の強誘電体膜の傾斜面である端面を覆って設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１３の態様では、下電極の端部近傍の圧電体層の結晶性が改善されるため、電圧を印加することによる圧電体層の破壊を防止できると共に圧電素子の駆動信頼性が向上する。
【００２１】
本発明の第１４の態様は、第１３の態様において、前記第１の強誘電体膜及び前記下電極の端面の傾斜角度が、４０°以下であることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１４の態様では、電極の端部近傍の圧電体層の結晶性がより確実に改善される。
【００２２】
本発明の第１５の態様は、第１３又は１４の態様において、前記第１の強誘電体膜及び当該第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜の厚さが、この第２の強誘電体膜上に形成される残りの強誘電体膜のそれぞれの厚さよりも薄いことを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１５の態様では、第１及び第２の強誘電体膜の膜質がより確実に向上すると共に、それに伴い第２の強誘電体膜上に形成される他の強誘電体膜の膜質も向上する。
【００２３】
本発明の第１６の態様は、第１３〜１５の何れかの態様において、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種が前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成されていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１６の態様では、結晶種により第２の強誘電体膜の結晶構造が一方向に配向して略一様に形成されるため、圧電体層の膜質が確実に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びＡ−Ａ’断面図であり、図３は、圧電素子３００の層構造を示す概略図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する封止基板３０のリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００２５】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００２６】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００２７】
ここで、圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、圧力発生室１２の両端部近傍でそれぞれパターニングされ、圧力発生室１２の並設方向に沿って連続的に設けられている。また、圧力発生室１２に対応する領域の下電極膜６０の端面は、絶縁体膜５５に対して所定角度θで傾斜する傾斜面となっている。
【００２８】
また、圧電体層７０は、各圧力発生室１２毎に独立して設けられ、図３に示すように、複数層の強誘電体膜７１（７１ａ〜７１ｆ）で構成されている。複数層の強誘電体膜７１のうちの最下層である第１の強誘電体膜７１ａは、下電極膜６０上のみに設けられ、その端面は下電極膜６０の端面に連続する傾斜面となっている。また、第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される第２〜第６の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆは、この傾斜面である端面を覆って絶縁体膜５５上まで延設されている。
【００２９】
そして、本発明では、これら下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面は、絶縁体膜５５に対する角度θが約１０〜５０°の範囲、より好ましくは４０°以下となるように形成されている。詳しくは後述するが、これにより各強誘電体膜７１の結晶の配向性、緻密性が向上し、圧電体層７０の膜質を向上することができる。例えば、本実施形態では、下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａは、それらの端面の角度θが約２５°となるように形成されている。
【００３０】
下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面の角度θは、小さい方が好ましいが、１０°よりも小さくすると下電極膜６０の端面の形成精度が著しく低下するため好ましくない。また、角度θが５０°よりも大きいと第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される第２〜第６の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆの結晶性が低下してしまうため好ましくない。なお、本実施形態で下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面の角度を２５°としたのは、上記端面の形成精度と結晶性の観点から適切な値だからである。
【００３１】
また、図３に示すように、下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面の角度に比べ、第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される他の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆの傾斜部分の角度は徐々に小さく形成される。これにより、複数の強誘電体膜からなる圧電体層の上面がほぼ平らになり上電極膜８０を良好に形成することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、第１の強誘電体膜７１ａ及びこの第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される第２の強誘電体膜７１ｂは、残りの第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆよりも結晶密度が高くなるように形成されている。また、第１の強誘電体膜７１ａ及び第２の強誘電体膜７１ｂは、第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆよりも薄く形成されていることが好ましい。例えば、本実施形態では、第１及び第２の強誘電体膜７１ａ，７１ｂが、約０．１μｍの厚さで形成され、他の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆが、約０．２μｍの厚さで形成されている。これにより、各強誘電体膜７１の結晶性を良好に保持しつつ製造効率も向上することができる。
【００３３】
なお、上電極膜８０は、圧電体層７０と同様に各圧力発生室１２毎に独立して設けられている。そして、各上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなり絶縁体膜５５上まで延設されるリード電極９０がそれぞれ接続されている。
【００３４】
また、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有してシリコン単結晶基板からなる封止基板３０が接合されている。また、封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。さらに、封止基板３０上には、剛性が低く可撓性を有する材料で形成される封止膜４１と金属等の硬質で剛性のある材料で形成される固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。なお、固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっており、リザーバ１００の一方面は封止膜４１のみで封止されている。
【００３５】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００３６】
以下、このような本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法、特に、圧電素子の形成方法について図４〜図８を参照して説明する。まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコンウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及びマスク膜５１を構成する二酸化シリコン膜５２を全面に形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとからなる下電極膜６０を絶縁体膜５５上に形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、本実施形態のように、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウム等が好適である。
【００３７】
次いで、下電極膜６０上に圧電体層７０を形成する。圧電体層７０は、上述したように複数層の強誘電体膜７１ａ〜７１ｆを積層することによって形成され、本実施形態では、これらの強誘電体膜７１をいわゆるゾル−ゲル法を用いて形成している。すなわち、金属有機物を触媒に溶解・分散しゾルを塗布乾燥しゲル化して強誘電体前駆体膜７２を形成し、さらにこの強誘電体前駆体膜７２を脱脂して有機成分を離脱させた後、焼成して結晶化させることで各強誘電体膜７１を得ている。
【００３８】
具体的には、まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０上にチタン又は酸化チタンからなる結晶種（層）６５をスパッタ法により形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、例えば、スピンコート法等の塗布法により未結晶の強誘電体前駆体膜７２ａを所定の厚さ、本実施形態では、焼成後に０．１μｍ程度の厚さとなるように形成する。なお、強誘電体前駆体膜７２ａは、一度の塗布によって約０．１５μｍ程度の厚さで形成される。次いで、この強誘電体前駆体膜７２ａを所定温度で所定時間乾燥させて溶媒を蒸発させる。強誘電体前駆体膜７２ａを乾燥させる温度は、例えば、１５０℃以上２００℃以下であることが好ましく、好適には１８０℃程度である。また、乾燥させる時間は、例えば、５分以上１５分以下であることが好ましく、好適には１０分程度である。
【００３９】
そして、乾燥した強誘電体前駆体膜７２ａを所定温度で脱脂する。なお、ここで言う脱脂とは、強誘電体前駆体膜７２ａの有機成分、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等を離脱させることである。なお、脱脂時のシリコンウェハ１１０の加熱温度は、３００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。温度が高すぎると強誘電体前駆体膜７２ａの結晶化が始まってしまい、温度が低すぎると十分な脱脂が行えないためである。例えば、本実施形態では、ホットプレートによってシリコンウェハ１１０を４００℃程度に加熱して、強誘電体前駆体膜７２ａの脱脂を行った。また、この脱脂時の昇温レートは、後の工程で形成される第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆの場合よりも低くすることが好ましく、具体的には、例えば、２５０℃から４００℃に上昇する際に１．５〜２℃／秒程度の昇温レートであることが好ましい。これにより、強誘電体前駆体膜７２ａに結晶核を多く発生させることができ、後述する焼成工程を経て得られる第１の強誘電体膜７１ａの緻密性及び配向性が向上する。
【００４０】
そして、このように強誘電体前駆体膜７２ａの脱脂を行った後、シリコンウェハ１１０を所定の拡散炉に挿入し、強誘電体前駆体膜７２ａを約７００℃の高温で焼成して結晶化することにより、下電極膜６０に最も近い強誘電体膜である第１の強誘電体膜７１ａを形成する。
【００４１】
このように第１の強誘電体膜７１ａを形成した後、下電極膜６０と第１の強誘電体膜７１ａとを同時にパターニングする。このとき、下電極膜６０と第１の強電体膜７１ａの端面が、約１０〜５０°の範囲、本実施形態では、約２５°となるようにパターニングする。具体的には、まず図５（ｃ）に示すように、第１の強誘電体膜７１ａ上に、例えば、フェノールノボラック樹脂と感光剤との混合物等からなるレジストを塗布してマスクを用いて露光し現像することにより所定パターンのレジスト膜２００を形成する。なお、レジストは、例えば、ネガレジストをスピンコート法等により塗布して形成し、レジスト膜２００は、その後、所定のマスクを用いて露光・現像・ベークを行うことにより形成する。勿論、ネガレジストの代わりにポジレジストを用いてもよい。そして、このときレジスト膜２００の端面の第１の強誘電体膜７１ａに対する角度θ１が、約２５°の角度となるように、レジスト膜２００を形成する。
【００４２】
ここで、このようにレジスト膜２００の傾斜角度θ１を比較的小さくする場合、レジスト膜２００の下記形成条件を適宜調整することが好ましい。具体的には、まず、レジスト膜２００のポストベークの温度を１５０℃以上とすることが好ましい。さらに、ポストベークの時間を比較的長くすることが好ましい。これにより、レジスト膜２００をポストベークする際に生じるレジスト膜２００の端部近傍のダレ量が多くなり、レジスト膜２００の端面の傾斜角度θ１を比較的小さくすることができる。
【００４３】
また、レジスト膜２００の膜厚は、少なくとも第１の強誘電体膜７１ａ及び下電極膜６０の厚さよりも厚く形成することが好ましく、例えば、１．５μｍ以上と比較的厚くすることが望ましい。このようにレジスト膜２００の膜厚を厚くすることによっても、ポストベーク時のダレ量が多くなるため、レジスト膜２００端面の傾斜角度θ１を比較的低くすることができる。例えば、ポストベーク温度を１７０℃とした場合、レジスト膜２００の膜厚を１．５３μｍとしたときの傾斜角度θ１は、３０°程度となり、膜厚を２．２６μｍとしたときの傾斜角度θ１は２３°程度となった。
【００４４】
さらに、レジスト膜２００となるレジストに含まれるベース樹脂として、比較的広い分子量分布を有する樹脂を用いることが好ましい。このようなレジストを用いることにより、上述した条件の場合と同様に、ポストベーク時のダレ量が多くなるため、レジスト膜２００の端面の傾斜角度θ１を小さくすることができる。
【００４５】
また、レジスト膜２００の傾斜角度θ１は、レジスト膜２００となるレジストの現像時間によっても調整できる。本実施形態のように傾斜角度θ１を比較的小さくする場合、レジストの現像時間を比較的長くすることが好ましい。具体的には、レジストの現像時間は一般的に６０秒程度であるが、本実施形態の場合、それよりも長くしている。なお、レジスト膜２００の傾斜角度θ１は、レジスト膜２００となるレジストを過剰に露光、すなわち、露光時間を長くすることによっても傾斜角度θ１を小さくすることができる。
【００４６】
さらに、図６（ａ）に示すように、レジスト膜２００となるレジスト２０１に、例えば、紫外線等の照射光２１０を照射して露光する際に、この照射光２１０の焦点ｆ１を、第１の強誘電体膜７１ａの表面、すなわち、レジスト２０１の底面、若しくはそれよりも下電極膜６０側に合わせるようにするのが好ましい。露光されたレジスト２０２の端面２０２ａの角度は、照射光２１０のレジスト２０１への入射角度によって変化するため、焦点ｆ１を上記のような位置に合わせることで、第１の強誘電体膜７１ａの表面に対するレジスト２０１の端面の傾斜角度θ２は少なくとも９０°より小さくなる。したがって、このように露光したレジスト２０２を現像・ベークしてレジスト膜２００を形成することで、レジスト膜２００の端面の傾斜角度θ１を比較的容易に所望の角度まで小さくすることができる。なお、図６（ｂ）に示すように、照射光２１０の焦点ｆ２を第１の強誘電体膜７１ａの表面よりもレジスト２０１側、例えば、レジスト２０１の表面に合わせると、露光されたレジスト２０２の端面２０２ｂの傾斜角度が９０°よりも大きくなる部分が生じるため好ましくない。
【００４７】
そして、このようにレジスト膜２００を形成後、図７（ａ）に示すように、レジスト膜２００を介して第１の強誘電体膜７１ａ及び下電極膜６０をイオンミリングによってパターニングすると、これら第１の強誘電体膜７１ａ及び下電極膜６０と共にレジスト膜２００が徐々にエッチングされるため、下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面が傾斜面となる。すなわち、下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面は、互いに同じ角度傾斜することになり、本実施形態では、振動板に対して約２５°の角度で傾斜する傾斜面となる。
【００４８】
このように下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面を振動板に対して約１０〜５０°の範囲で傾斜する傾斜面とすることで、以下の工程で、第１の強誘電体膜７１ａ上に他の強誘電体膜を良好な膜質で形成することができる。
【００４９】
次に、図７（ｂ）に示すように、第１の強誘電体膜７１ａ上を含むシリコンウェハ１１０の全面に、再び結晶種（層）６５Ａを形成後、スピンコート法等により強誘電体前駆体膜７２ｂを所定厚さ、本実施形態では、約０．１５μｍ程度の厚さで形成し、焼成後に約０．１μｍの厚さとなるようにしている。そして、この強誘電体前駆体膜７２ｂを乾燥・脱脂・焼成することにより第２の強誘電体膜７１ｂを形成する。なお、この第２の強誘電体膜７１ｂとなる強誘電体前駆体膜７２ｂの脱脂時も、第１の強誘電体膜７１ａの場合と同様に、強誘電体前駆体膜７２ｂの昇温レートは比較的低くすることが好ましい。これにより、強誘電体前駆体膜７２ｂに結晶核を多数良好に発生させることができる。すなわち、下電極膜６０に対向する領域から絶縁体膜５５に対向する領域まで多数の結晶核が略均等に形成された第２の強誘電体膜７１ｂが得られる。
【００５０】
次いで、図７（ｃ）に示すように、この第２の強誘電体膜７１ｂ上に強誘電体前駆体膜７２ｃを所定の厚さ、本実施形態では、焼成後に０．２μｍの厚さとなるように形成する。一度の塗布による強誘電体前駆体膜７２ｃの厚さは、約０．１５μｍ程度であり、本実施形態では、二度の塗布により所望の厚さの強誘電体前駆体膜７２ｃを得ている。次いで、この強誘電体前駆体膜７２ｃを乾燥・脱脂後、焼成して結晶化させて第３の強誘電体膜７１ｃとする。そして、このように、二度の塗布によって強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを形成する工程と、その強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを乾燥・脱脂後、焼成する工程とを複数回、本実施形態では、４回繰り返すことにより、第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆを形成する。これにより、複数層の強誘電体膜７１ａ〜７１ｆからなり、厚さが約１μｍの圧電体層７０が形成される。
【００５１】
ここで、これら第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆを構成する強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを脱脂する際、その昇温レートを比較的高く、例えば、第１及び第２の強誘電体膜７１ａ，７１ｂを構成する強誘電体前駆体膜７２ａ，７２ｂを脱脂する際の昇温レートよりも高くすることが好ましい。これにより、第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆとなる強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆには結晶核が形成されにくくなるため、強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを焼成すると、それ以前に結晶化された強誘電体膜（第２の強誘電体膜７１ｂ）の結晶を核として結晶が成長する。すなわち、第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆの結晶は優先配向しており、且つ第２の強誘電体膜７１ｂの結晶から連続して柱状に形成される。したがって、各強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆは、下電極膜６０に対向する領域から絶縁体膜５５に対向するまで連続して良好に結晶化される。
【００５２】
なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。
【００５３】
このように形成される圧電体層７０（強誘電体膜７１）の材料として、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料を用いたが、インクジェット式記録ヘッドに使用する材料としては、良好な変位特性を得られればチタン酸ジルコン酸鉛系の材料に限定されない。
【００５４】
そして、このような複数層の強誘電体膜７１ａ〜７１ｆからなる圧電体層７０を形成した後は、図８（ａ）に示すように、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極膜８０を積層形成し、圧電体層７０及び上電極膜８０を各圧力発生室１２に対向する領域内にパターニングして圧電素子３００を形成する（図８（ｂ））。
【００５５】
なお、その後は、図９（ａ）に示すように、金（Ａｕ）からなる金属層をシリコンウェハ１１０の全面に亘って形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介してこの金属層を各圧電素子３００毎にパターニングすることによってリード電極９０を形成する。そして、このようにして膜形成を行った後、図９（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１１０に封止基板３０を接合し、所定形状にパターニングしたマスク膜５１を介してシリコンウェハ１１０をエッチングすることにより圧力発生室１２等を形成する。なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のシリコンウェハ上に多数のチップを同時に形成し、上記プロセス終了後、上述したノズルプレート２０及びコンプライアンス基板４０を接着して一体化し、その後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割することによってインクジェット式記録ヘッドとする。
【００５６】
以上説明したように、本発明では、下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａを同時にパターニングし、その端面が振動板に対して約１０〜５０°の範囲で傾斜するようにした。これにより、この傾斜面である端面を覆って設けられる第２〜第６の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆの結晶性が改善され、結晶の緻密性、配向性が大幅に向上する。すなわち、本発明の構成では、下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端部近傍の厚さが徐々に薄くなっているため、第２〜第６の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆの各領域での結晶の成長方向の差が小さくなる。したがって、下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される第２〜第６の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆは、全ての領域において結晶性が低下することなく良好に結晶化され、膜質が向上すると共に膜質が略均一となる。よって、圧電素子３００に電圧を印加した際に良好な変位特性が得られ、また、比較的高い電圧を印加しても圧電体層７０が破壊されることがなく、信頼性に優れた圧電素子３００が得られる。
【００５７】
（試験例）
ここで、下電極膜及び第１の強誘電体膜の傾斜角度θを変化させた下記実施例１，２及び比較例の圧電素子を形成し、これら各実施例及び比較例の圧電素子について耐電圧試験及び耐久試験を行った。その結果を下記表１に示す。なお、各試験における「破壊の有無」とは、下電極膜の端部近傍での圧電素子の破壊の有無である。また、耐久試験の試験条件は、印加電圧：２５Ｖ、印加パルス数：８０億である。
【００５８】
【表１】
2005035282.tif 000003
【００５９】
表１に示すように、実施例１及び２の圧電素子は、耐電圧試験において、１１０Ｖ以上の電圧を印加しても破壊は確認されず、耐久試験においても破壊は確認されなかった。これに対し、比較例の圧電素子では、耐久試験において各実施例の圧電素子に印加した電圧よりも大幅に低い６５Ｖの電圧を印加した段階で、破壊が確認され、さらに耐久試験においても破壊が確認された。
【００６０】
さらに、下電極膜及び第１の強誘電体膜の傾斜角度θが約２０°となるように形成した実施例３の圧電素子と、傾斜角度θが約６０°である比較例の圧電素子とに、それぞれ所定の電圧を印加し、そのときの各圧電体層７０の状態を調べた。図１０に、電圧印加後の各圧電素子のＴＥＭ像をそれぞれ示す。
【００６１】
実施例３の圧電素子では、１１０Ｖの電圧を印加しても、図１０（ａ）に示すように、圧電体層７０にクラック等の発生は全く確認されなかったが、比較例の圧電素子では、上述したように６０Ｖ程度の電圧を印加した際に、図１０（ｂ）に示すように、圧電体層７０の下電極膜６０の端部近傍にクラック（図中矢示）が発生することが確認された。この結果からも明らかなように、下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面を、振動板に対して約１０〜５０°の範囲で傾斜させることで、比較的高い電圧を印加しても圧電体層７０が破壊されることがなく信頼性に優れた圧電素子３００を形成することができる。
【００６２】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、第２の強誘電体膜７１ｂ上に形成する第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆは、二度の塗布により強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを形成後、強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを焼成することによって形成しているが、勿論、一度の塗布により形成した強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを焼成することによって形成してもよい。また、上述の実施形態では、下電極膜６０が並設された圧力発生室１２に対応する領域に亘って連続的に設けられているが、これに限定されず、例えば、下電極膜６０を櫛歯状に形成し、各圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０が実質的に独立するようにしてもよい。
【００６３】
このような各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１１は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図１１に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上に搬送されるようになっている。
【００６４】
また、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。また、本発明は、液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）に搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用できる。例えば、アクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図３】実施形態１に係る圧電素子の層構造を示す概略図。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図５】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図６】レジストの露光工程を模式的に示す図である。
【図７】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図８】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図９】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図１０】実施例３及び比較例に係る圧電素子のＴＥＭ像。
【図１１】本発明の一実施形態に係る記録装置の概略図。
【符号の説明】
【００６６】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  封止基板、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ７１  強誘電体膜、  ７２  強誘電体前駆体膜、  ８０  上電極膜、  ９０  リード電極、  ３００  圧電素子
【図１】
2005035282.tif 000004
【図２】
2005035282.tif 000005
【図３】
2005035282.tif 000006
【図４】
2005035282.tif 000007
【図５】
2005035282.tif 000008
【図６】
2005035282.tif 000009
【図７】
2005035282.tif 000010
【図８】
2005035282.tif 000011
【図９】
2005035282.tif 000012
【図１０】
2005035282.tif 000013
【図１１】
2005035282.tif 000014